Economic and Environmental Geology (자원환경지질)

The Korean Society of Economic and Environmental Geology (대한자원환경지질학회)
권호 표지

Analyzing Spatial and Temporal Variation of Ground Surface Temperature in Korea

국내 지면온도의 시공간적 변화 분석

  • Koo Min-Ho (Department of Geoenvironmental Sciences, Kongju National University) ;
  • Song Yoon-Ho (Groundwater & Geothermal Resources Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources) ;
  • Lee Jun-Hak (Intellegeo Co., Ltd.)
  • Published : 2006.06.01
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Recent 22-year (1981-2002) meteorological data of 58 Korea Meteorological Adminstration (KMA) station were analyzed to investigate spatial and temporal variation of surface air temperature (SAT) and ground surface temperature (GST) in Korea. Based on the KMA data, multiple linear regression (MLR) models, having two regression variables of latitude and altitude, were presented to predict mean surface air temperature (MSAT) and mean ground surface temperature (MGST). Both models showed a high accuracy of prediction with $R^2$ values of 0.92 and 0.94, respectively. The prediction of MGST is particularly important in the areas of geothermal energy utilization, since it is a critical parameter of input for designing the ground source heat pump system. Thus, due to a good performance of the MGST regression model, it is expected that the model can be a useful tool for preliminary evaluation of MGST in the area of interest with no reliable data. By a simple linear regression, temporal variation of SAT was analyzed to examine long-term increase of SAT due to the global warming and the urbanization effect. All of the KMA stations except one showed an increasing trend of SAT with a range between 0.005 and $0.088^{\circ}C/yr$ and a mean of $0.043^{\circ}C/yr$. In terms of meteorological factors controlling variation of GST, the effects of solar radiation, terrestrial radiation, precipitation, and snow cover were also discussed based on quantitative and qualitative analysis of the meteorological data.

58개 기상관측소에서 최근 22년간(1981-2002) 측정된 기상 자료를 이용하여 국내의 기온(SAT) 및 지면온도(GST)의 시공간적 변동 경향을 분석하였다. 먼저 관측 자료로부터 각 관측소의 평균기온(MSAT)과 평균지면온도(MGST)를 계산하였으며, 다중선형회귀분석을 통해 MSAT와 MGST를 예측할 수 있는 회귀식을 산정하였다. 회귀모형의 회귀변수는 관측소의 위도 및 고도이다. 회귀모형의 추정치와 실제 관측값의 결정계수($R^2$)는 각각 0,92와 0.94로 나타나 모형의 예측 정확성이 매우 높은 것으로 분석되었다. MGST는 지열펌프 시스템 설계의 주요 입력 변수이므로 최근 지열에너지자원 활용 분야에서 매우 중요하게 다루어지는 변수이다. 따라서 제시된 회귀모형은 신뢰할만한 관측 자료가 없는 지역에서 MGST를 추정하는데 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 예상된다. SAT 자료에 대한 선헝회귀분석을 통해 지구온난화 및 도시화에 기인한 기온 상승의 장기 추세 변동성을 탐색하였다. 1개 관측소를 제외한 57개 관측소에서 $0.005{\sim}0.088^{\circ}C/yr$ 범위의 기온증가율을 가지는 추세 변동이 확인되었다. 또한 GST에 영향을 미치는 기상요소로서 일사량, 지구복사, 강수량 및 적설량 자료를 분석하였다. GST는 주로 SAT 및 일사량에 의하여 결정되지만 강수 및 증발에 의한 토양의 열용량 변화, 적설에 의한 대기와 지표면 차단, 지구복사에 영향을 줄 수 있는 대기의 조건 변화 등이 복합적인 변동 요인으로 작용하는 것으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 구민호, 김용제, 서만철, 서명석 (2003) 온도 시계열 자료를 이용한 국내 토양의 열확산계수 산정 . 지질학회지, v. 39, p. 301-317
  2. 김승옥, 서명석, 곽종흠 (2005) 우리나라 지중온도 변동의 기후학적 특성. 한국지구과학회지, v. 26, p. 93-105
  3. 김영복,이승규,김성태 (2000) 한국의 지온 예측과 지리적 영향 분석. 한국농업기계학회지 V.25 p.497-502
  4. 손병후, 조정식, 신현준, 안형준 (2005) 지열원 열펌프 시스템의 냉,난방 성능 평가. 설비공학논문집, v. 17, p. 71-81
  5. 송관철, 정영상, 김병인, 안윤수, 엄기태 (1992) 기상청 지온 측정 토양의 물리적 성질과 겉보기 열확산 계수 산정. 한국토양비료학회, v. 25, p. 220-230
  6. 송윤호, 김형찬, 심병완, 이창범, 박덕원, 이성곤, 이종철, 이병태, 박인화, 이태종, 이철우, 문상호, 김연기, 이병대, 임현철 (2004) 지열자원 부존특성 규명 및 활용기 반기술 연구. 한국지질자원연구원 기본사업연차보고서 KR-04(연차)-08 , 국무총리 , 123p
  7. 심병완 (2005) 대수층 축열 에너지 (ATES) 시스템 모델에서 지히수 유동 영향에 의한 지반내 온도 분포 예측 시뮬레이션. 한국지열에너지학회논문집, v. 1, p. 1-8
  8. 안형준 (2002) 저온지열을 이용한 지열히트펌프시스템. 터널과 지하공간, v. 12, p. 229-236
  9. 윤진일 (2002) 우리 나라의 기온상승-도시효과인가 지구 온난화인가. 한국농림기상학회지, v. 4, p. 58-63
  10. 이기우 (1992) 지열이용 히트펌프기술. 공기조화 . 냉동공 학 v. 21, p. 306-315
  11. 이명인, 강인식 (1997) 한반도 기온변동성과 온난화. 한국 기상학회지 , v. 33, p. 429-443
  12. 이용범 (2004) 지열의 일반적 고찰. 바이오시스템공학, v. 29, p. 475-480
  13. 이용범, 조성인, 강창호, 정인규, 이충근, 성제훈, 정선옥, 김영복 (2005) 지열 열교환시스템 개발을 위한 지중 열유동 특성분석. 바이오시스템공학, v. 30, p. 185-191
  14. 이화룡 (2004) 지열에너지 활용 학교 계획. 한국교육시설 학회지, v. 11, p. 100-108
  15. 한정상 (2005) 지열 열펌프시스템의 개념과 기술수준. 지열에너지저널, v. 1, p. 10-18
  16. 한정상, 한규상, 한혁상, 한찬 (2005) 지열펌프 냉난방 시스템. 도서출판 한림원
  17. Carslaw, H.S. and Jaeger, J,C. (1959) Conduction of heat in solids. 2nd(ed.), Oxford University Press, London, 510p
  18. Cermak, V. and Bodri, L. (2001) Climate reconstruction from subsurface temperatures demonstrated on example of Cuba. Physics of The Earth and Planetary Interiors, v. 126, p. 295-310 https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00262-X
  19. de Vries, D.A. (1963) Thermal properties of soils. In: van Wijk, WR.(ed.) Physics of Plant Environment. NorthHolland, Amsterdam, p. 210-233
  20. Dorofeeva, R.P., Shen P.Y. and Shapova, M.V. (2002) Ground surface temperature histories inferred from deep borehole temperature-depth data in Eastern Siberia. Earth and Planetary Science Letters, v. 203, p. 1059-1071 https://doi.org/10.1016/S0012-821X(02)00925-1
  21. Gosselin, C. and Mareschal, J,C. (2003) Variations in ground surface temperature histories in the Thompson Belt, Manitoba, Canada: environment and climate changes. Glob. Planet. Change, v. 39, p. 271-284 https://doi.org/10.1016/S0921-8181(03)00120-6
  22. Huang, S., Pollack, H.N., Wang, J. and Cermak, V. (1995) Ground surface temperature histories inverted from subsurface temperatures of two boreholes located in Panxi, SW China. Journal of Southeast Asian Earth Sciences, v. 12, p. 113-120 https://doi.org/10.1016/0743-9547(95)00016-X
  23. Hulme, M., Zhao, Z.C. and Jiang, T. (1994) Recent and future climate change in East Asia. Int. J, Climatol., v. 14, p. 637-658 https://doi.org/10.1002/joc.3370140604
  24. Kang, S., Kim, S., Oh, S. and Lee, D. (2000) Predicting spatial and temporal patterns of soil temperature based on topography, surface cover and air temperature. Forest Ecology and Management, v. 136, p. 173-184 https://doi.org/10.1016/S0378-1127(99)00290-X
  25. Kavanaugh, S.P. and Rafferty, K. (1997) Ground-source heat pump: Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, 167p
  26. Lachenbruch A.H. and Marshall B.V. (1986) Changing climate: Geothermal evidence from permafrost in the Alaskan Arctic. Science, v. 234, p. 689-696 https://doi.org/10.1126/science.234.4777.689
  27. Lewis, T. (1998) The effect of deforestation on ground surface temperatures. Glob. Planet. Change, v 18, p. 1-13 https://doi.org/10.1016/S0921-8181(97)00011-8
  28. Paul, K.I., Polglase, P.J., Smethurst, P.J., O'Connell, A.M., Carlyle, C.J. and Khanna, P.K.(2004) Soil temperature under forests: a simple model for predicting soil temperature under a range of forest types. Agricultural and Forest Meteorology, v. 121, p. 167-182 https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2003.08.030
  29. Pollack, H.N., Demezhko, D.Y., Duchkov, A.D., Golovanova, L.V., Huang, S., Shchapov., V.A. and Smerdon, J.E. (2003) Surface temperature trends in Russia over the past five centuries reconstructed from borehole temperatures. J, Geophys. Res., v. 108, p. 2180 https://doi.org/10.1029/2002JB002154
  30. Rajver, D., Safanda, J. and Shen, P.Y. (1998) The climate record inverted from borehole temperatures in Slovenia. Tectonophysics, v. 291, p. 263-276 https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00045-6
  31. Safanda, J, (1999) Ground surface temperature as a function of slope angle and slope orientation and its effect on the subsurface temperature field. Tectonophysics, v. 306, p. 367-375 https://doi.org/10.1016/S0040-1951(99)00066-9
  32. Signorelli, S. and Kohl, T. (2004) Regional ground surface temperature mapping from meteorological data. Glob. Planet. Change, v. 40, p. 267-284 https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2003.08.003
  33. Smerdon, J.E., Pollack, H.N., Cermak, v., Enz, J.W., Kresl, M., Safanda, J. and Wehmiller, J.E. (2004) Airground temperature coupling and subsurface propagation of annual temperture signals. J, Geophys. Res., v. 109, D21107
  34. Veliciu, S. and Safanda, J. (1998) Ground temperature history in Romania inferred from borehole temperature data. Tectonophysics, v. 291, p. 277-286 https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00046-8
  35. Zheng, D., Hunt Jr., E.R. and Running, S.W. (1993) A daily soil temperature model based on air temperature and precipitation for continental applications. Climate Research, v. 2, p. 183-191 https://doi.org/10.3354/cr002183